JP7003339B2 - 測定補助装置、非接触電圧観測装置および非接触電圧観測システム - Google Patents

Description

本発明は、交流電圧の観測に使用される結合容量の測定を補助する測定補助装置、これを用いる非接触電圧観測装置および非接触電圧観測システムに関する。

従来、プローブ電極を電線の芯線に接触させることなく、電線の芯線に印加された交流電圧を観測する技術がある。例えば、特許文献１に記載される非接触電圧観測装置は、電線の芯線に印加された交流電圧を、電線の芯線とプローブ電極との間に生じた結合容量を介して検出する。プローブ電極を用いて検出された交流電圧が、スイッチを用いて切り替えられる既知容量と、電線の芯線とプローブ電極との間に生じた結合容量とによって分圧され、分圧された電圧値に基づいて結合容量が測定され、測定された結合容量に基づいて、電線の芯線に印加された交流電圧が算出される。

特開２００５－１４０５０６号公報

プローブ電極と電線の芯線との間に生じる結合容量は、電線の芯線を被覆する絶縁性の被膜を誘電体と見なして見積もられる微小な容量である。このため、結合容量の測定は、装置内部に存在する寄生成分による影響を受けやすい。しかしながら、特許文献１に記載された非接触電圧観測装置は、比較的大きな寄生容量を持つスイッチを用いて結合容量を測定している。このため、スイッチが持つ寄生容量によって交流電圧が分圧された電圧値に誤差が生じて結合容量を精度よく測定できない可能性があった。

本発明は上記課題を解決するものであり、非接触電圧観測装置内部に存在する寄生成分を低減できる測定補助装置、これを用いる非接触電圧観測装置および非接触電圧観測システムを得ることを目的とする。

本発明に係る測定補助装置は、電線の芯線に印加された交流電圧を、芯線を被覆する被膜に配置された第１のプローブ電極と芯線との間に生じた第１の結合容量を通じて観測する非接触電圧観測装置による第１の結合容量の測定を補助する測定補助装置であって、既知の交流電圧波形の試験電圧信号を発振する信号発振部と、被膜に配置される第２のプローブ電極とを備え、試験電圧信号は、非接触電圧観測装置において、第１の結合容量と、分圧用キャパシタ素子が有する既知容量と、第２のプローブ電極と芯線との間に生じた第２の結合容量とによって分圧され、分圧された電圧に基づいて第１の結合容量が算出され、第２のプローブ電極は、第１の結合容量と第２の結合容量とが一定の許容誤差内で類似した値となるように第１のプローブ電極に合わせた構造およびサイズで構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、既知の交流電圧波形の試験電圧信号が、非接触電圧観測装置が備える第１のプローブ電極と芯線との間に生じた第１の結合容量と、既知容量と、測定補助装置が備える第２のプローブ電極と芯線との間に生じた第２の結合容量とによって分圧された電圧に基づいて、第１の結合容量が算出される。第２のプローブ電極は、第１の結合容量と第２の結合容量とが一定の許容誤差内で類似した値となるように第１のプローブ電極に合わせた構造およびサイズである。第１の結合容量が第２の結合容量と一定の許容誤差内で類似した値であるので、既知容量を切り替えなくても第１の結合容量を測定することが可能である。これにより、本発明に係る測定補助装置は、寄生成分を持つスイッチを非接触電圧観測装置から除くことができるので、非接触電圧観測装置内部に存在する寄生成分を低減できる。

実施の形態１に係る非接触電圧観測システムの構成を示すブロック図である。 図１の非接触電圧観測システムの等価回路を示す回路図である。 実施の形態１における観測対象の交流電圧の電圧波形および試験電圧信号の電圧波形を示す波形図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る非接触電圧観測システム１の構成を示すブロック図である。また、図２は、図１の非接触電圧観測システム１の等価回路を示す回路図である。非接触電圧観測システム１は、図１に示すように、非接触電圧観測装置２と測定補助装置３を備える。非接触電圧観測装置２は、ケーブル４のケーブル導体４ａに印加された交流電圧Ｖ_ｉｎを観測する。ケーブル４は２線一対の電線であり、交流電圧を伝送する。ケーブル導体４ａは、ケーブル４における芯線である。ケーブル被膜４ｂは、ケーブル導体４ａを被覆する絶縁性の被膜である。ケーブル導体４ａには交流電源５が接続され、交流電源５によって交流電圧Ｖ_ｉｎがケーブル導体４ａに印加される。

非接触電圧観測装置２は、プローブ電極２１、プローブケーブル２２およびセンサ回路２３を備える。プローブ電極２１とセンサ回路２３との間は、プローブケーブル２２によって接続されている。プローブ電極２１は、第１のプローブ電極であり、ケーブル４のうち、グラウンドに接続されてない方のケーブルのケーブル被膜４ｂに配置される。ケーブル被膜４ｂによってケーブル導体４ａとプローブ電極２１は非接触の状態である。

非接触電圧観測装置２は、交流電源５によってケーブル導体４ａに印加された交流電圧Ｖ_ｉｎを、ケーブル導体４ａとプローブ電極２１との間に生じた第１の結合容量Ｃ_０を介して観測する。例えば縦横１（ｃｍ）の正方形のプローブ電極２１とケーブル導体４ａとの間に生じる第１の結合容量Ｃ_０は、数（ｐＦ）程度の微小な容量である。実施の形態１において、非接触電圧観測装置２による交流電圧Ｖ_ｉｎの観測は、ケーブル導体４ａに印加された交流電圧Ｖ_ｉｎを逐次検出することを意味し、結合容量の測定は、結合容量を固定的に決定することを意味する。

センサ回路２３は、分圧用キャパシタ素子２３１、オペアンプ２３２、ＡＤ変換器２３３および演算部２３４を備える。分圧用キャパシタ素子２３１は、既知の容量Ｃ_１を有するキャパシタ素子であり、一方の端部がセンサ回路２３の入力端およびオペアンプ２３２の正極入力端子に接続され、他方の端部がグラウンドに接続されている。プローブ電極２１によって検出された交流電圧Ｖ_ｉｎは、第１の結合容量Ｃ_０と容量Ｃ_１とによって分圧され、分圧された電圧がオペアンプ２３２の正極入力端子に入力される。

オペアンプ２３２は、ユニティ利得バッファアンプとして機能するオペアンプであり、負極入力端子が出力端子に接続され、プローブケーブル２２を介して正極入力端子がプローブ電極２１に接続されている。第１の結合容量Ｃ_０と容量Ｃ_１とによって分圧された交流電圧は、オペアンプ２３２の正極入力端子に入力され、そのままの波形で出力される。ＡＤ変換器２３３は、オペアンプ２３２から出力された交流電圧のアナログ信号をデジタル信号へ変換する。例えば、交流電圧Ｖ_ｉｎが第１の結合容量Ｃ_０と容量Ｃ_１とによって分圧された出力電圧Ｖ_ｏｕｔが、デジタル信号に変換される。

演算部２３４は、ＡＤ変換器２３３によってデジタル信号に変換された出力電圧Ｖ_ｏｕｔに基づいて、観測対象の交流電圧Ｖ_ｉｎを算出する。例えば、演算部２３４は、観測対象の交流電圧Ｖ_ｉｎを、下記式（１）に従い算出する。交流電圧Ｖ_ｉｎの観測において、第１の結合容量Ｃ_０および容量Ｃ_１は、既知の値である。出力電圧Ｖ_ｏｕｔは観測値である。
Ｖ_ｉｎ＝｛（Ｃ_０＋Ｃ_１）／Ｃ_０｝・Ｖ_ｏｕｔ ・・・（１）

上記式（１）に示すように、第１の結合容量Ｃ_０が未知量であると交流電圧Ｖ_ｉｎを算出することができない。このため、非接触電圧観測装置２による交流電圧Ｖ_ｉｎの観測では第１の結合容量Ｃ_０を事前に決定しておく必要がある。第１の結合容量Ｃ_０の測定には、測定補助装置３が用いられる。測定補助装置３は、非接触電圧観測装置２による結合容量の測定を補助する装置である。

測定補助装置３は、プローブ電極３１、プローブケーブル３２および測定補助回路３３を備える。プローブケーブル３２によって、プローブ電極３１と測定補助回路３３との間は接続される。プローブ電極３１は、第２のプローブ電極であり、ケーブル４に含まれる２線一対のケーブルのうち、プローブ電極２１が配置された側のケーブルのケーブル被膜４ｂに配置される。従って、ケーブル被膜４ｂによって、ケーブル導体４ａとプローブ電極３１は非接触の状態である。また、プローブ電極３１とケーブル導体４ａとの間には、図１に示すように、第２の結合容量Ｃ_０が生じる。

プローブ電極３１は、第１の結合容量Ｃ_０と第２の結合容量Ｃ_０とが一定の許容誤差内で類似した値となるように、プローブ電極２１に合わせた構造およびサイズで構成されている。プローブ電極の構造には、例えば、電極の形状、電極の材質、ケーブル４への電極の取り付け構造およびケーブル４への電極の取り付け状態がある。また、プローブ電極のサイズには、ケーブル被膜４ｂに対向または接触する電極の面積、電極の厚みおよび電極全体のサイズがある。「一定の許容誤差内で第１の結合容量Ｃ_０と第２の結合容量Ｃ_０とが類似した値」とは、第１の結合容量Ｃ_０と第２の結合容量Ｃ_０とが完全に一致する場合が含まれ、さらに、一定の許容誤差内で類似した値であることも含まれる。「プローブ電極３１が、プローブ電極２１に合わせた構造およびサイズで構成されている」とは、プローブ電極２１とプローブ電極３１とが完全に一致した構造およびサイズである場合が含まれ、さらに、一定の許容誤差内で類似した第１の結合容量Ｃ_０と第２の結合容量Ｃ_０が得られる範囲内で、プローブ電極２１とプローブ電極３１との構造およびサイズが類似している場合も含まれる。

測定補助回路３３は、図１に示すように、バッファ回路３３１および高周波発振器３３２を備えている。バッファ回路３３１は、高周波発振器３３２により発振された試験電圧信号Ｖ_ｏｓｃを入力し、そのままの波形でプローブケーブル３２へ出力する。高周波発振器３３２は、既知の交流電圧波形の試験電圧信号Ｖ_ｏｓｃを発振する信号発振部である。試験電圧信号Ｖ_ｏｓｃは、例えば、交流電圧Ｖ_ｉｎの周波数よりも高い周波数の正弦波信号である。

第１の結合容量Ｃ_０を測定する場合、非接触電圧観測装置２が備えるプローブ電極２１を、ケーブル４のケーブル被膜４ｂに配置し、測定補助装置３が備えるプローブ電極３１を、プローブ電極２１が配置された同じケーブル４のケーブル被膜４ｂに配置する。これにより、図２に示す等価回路が構成される。

高周波発振器３３２から出力された試験電圧信号Ｖ_ｏｓｃは、バッファ回路３３１、プローブケーブル３２、プローブ電極３１、ケーブル被膜４ｂ、プローブ電極２１およびプローブケーブル２２を順に伝達しセンサ回路２３へ入力される。測定補助装置３から非接触電圧観測装置２が備えるセンサ回路２３まで伝達される過程で、試験電圧信号Ｖ_ｏｓｃは、第２の結合容量Ｃ_０と、第１の結合容量Ｃ_０と、分圧用キャパシタ素子２３１の容量Ｃ_１とによって分圧される。分圧された電圧はＡＤ変換器２３３に入力され、ＡＤ変換器２３３によってデジタル値に変換される。

演算部２３４は、下記式（２）に従って、第２の結合容量Ｃ_０と、第１の結合容量Ｃ_０と、分圧用キャパシタ素子２３１の容量Ｃ_１とによって試験電圧信号Ｖ_ｏｓｃが分圧された電圧（出力電圧Ｖ_ｏｕｔ）を用いて、第１の結合容量Ｃ_０を算出する。ただし、試験電圧信号Ｖ_ｏｓｃおよび容量Ｃ_１は既知量である。出力電圧Ｖ_ｏｕｔは観測値である。演算部２３４は、下記式（２）に従って、未知量である第１の結合容量Ｃ_０を算出することができる。
Ｖ_ｏｕｔ＝｛Ｃ_０／（２Ｃ_１＋Ｃ_０）｝・Ｖ_ｏｓｃ ・・・（２）

測定補助装置３は、非接触電圧観測装置２とは異なる筐体の装置とすることができる。測定補助装置３による第１の結合容量Ｃ_０の測定の補助は、非接触電圧観測装置２がケーブル４に配置されたときに一度だけ実施される。非接触電圧観測装置２と測定補助装置３とが別々の筐体の装置であれば、第１の結合容量Ｃ_０の測定補助が完了したときに、測定補助装置３をケーブル４から取り外すことができる。

また、非接触電圧観測システム１が、複数の非接触電圧観測装置２に対して一台の測定補助装置３を備える場合に、一台の測定補助装置３のみを用いて、複数の非接触電圧観測装置２のそれぞれによる第１の結合容量Ｃ_０の測定が補助される。この場合、非接触電圧観測装置２には、特許文献１に記載された分圧用の既知容量を切り替えるためのスイッチが不要であるので、複数の非接触電圧観測装置がそれぞれ上記スイッチを備えるシステムに比べて、非接触電圧観測システム１全体の回路規模が削減される。さらに、複数の非接触電圧観測装置２のそれぞれから、寄生容量を持つスイッチが除かれるので、複数の非接触電圧観測装置２のそれぞれにおいても、第１の結合容量Ｃ_０を精度よく測定できる。

なお、高周波発振器３３２が発振する試験電圧信号Ｖ_ｏｓｃの周波数は、観測対象の交流電圧Ｖ_ｉｎの周波数の整数倍とすることができる。この場合、交流電圧Ｖ_ｉｎがケーブル導体２ａに印加された状態で試験電圧信号Ｖ_ｏｓｃが出力されても第１の結合容量Ｃ_０を算出できる。

図３は、観測対象の交流電圧Ｖ_ｉｎの電圧波形および試験電圧信号Ｖ_ｏｓｃの電圧波形を示す波形図である。図３において、交流電圧Ｖ_ｉｎの周波数が５０（Ｈｚ）であり、交流電圧Ｖ_ｉｎの正弦波信号の周期が２０（ｍｓ）である。高周波発振器３３２は、交流電圧Ｖ_ｉｎの２倍の周波数、すなわち１００（Ｈｚ）の試験電圧信号Ｖ_ｏｓｃを出力する。このとき、オペアンプ２３２の出力電圧Ｖ_ｏｕｔの波形は、下記式（３）に示すように、交流電圧Ｖ_ｉｎの波形と試験電圧信号Ｖ_ｏｓｃの波形とが合成されたものとなる。
Ｖ_ｏｕｔ＝｛Ｃ_０／（Ｃ_０＋Ｃ_１）｝Ｖ_ｉｎ＋｛Ｃ_０／（２Ｃ_１＋Ｃ_０）｝Ｖ_ｏｓｃ・・・（３）

演算部２３４は、交流電圧Ｖ_ｉｎの正弦波信号の１周期Ａ（時刻Ｔ１と時刻Ｔ２との間の時間である２０（ｍｓ））に対応する期間で出力電圧Ｖ_ｏｕｔにフーリエ変換に相当する処理（Ｖ_ｏｕｔとＶ_ｏｓｃとを乗算した値の時間積分）を実行する。この処理において、試験電圧信号Ｖ_ｏｓｃの周波数が観測対象の交流電圧Ｖ_ｉｎの周波数の整数倍である場合、交流電圧Ｖ_ｉｎの波形と試験電圧信号Ｖ_ｏｓｃの波形とは互いに直交した関係にある。従って、出力電圧Ｖ_ｏｕｔにフーリエ変換に相当する処理を実行することで、交流電圧Ｖ_ｉｎの波形と試験電圧信号Ｖ_ｏｓｃの波形とを分離することが可能である。演算部２３４は、観測値である出力電圧Ｖ_ｏｕｔと、出力波形が既知の試験電圧信号Ｖ_ｏｓｃとを用いて、下記式（４）に従い第１の結合容量Ｃ_０を算出する。

なお、図１に示すセンサ回路２３は演算部２３４を備えるが、演算部２３４は、非接触電圧観測装置２とは別に設けられた装置が備えてもよい。また、演算部２３４の機能は、専用のハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアを実行するプロセッサおよびメモリによって実現されてもよい。

以上のように、実施の形態１に係る測定補助装置３において、既知の交流電圧波形の試験電圧信号が、非接触電圧観測装置２が備えるプローブ電極２１とケーブル導体４ａとの間に生じた第１の結合容量Ｃ_０と、既知容量Ｃ_１と、測定補助装置３が備えるプローブ電極３１とケーブル導体４ａとの間に生じた第２の結合容量Ｃ_０によって分圧された電圧に基づいて第１の結合容量Ｃ_０が算出される。プローブ電極３１は、第１の結合容量と第２の結合容量とが一定の許容誤差内で類似した値となるようにプローブ電極２１に合わせた構造およびサイズである。第１の結合容量が第２の結合容量と一定の許容誤差内で類似した値であるので、測定補助装置３は、寄生成分を持つスイッチを、非接触電圧観測装置２から除くことができ、非接触電圧観測装置２の内部に存在する寄生成分を低減できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

本発明に係る測定補助装置は、例えば、配電系統ケーブルの交流電圧を観測する非接触電圧観測装置に利用可能である。

１ 非接触電圧観測システム、２ 非接触電圧観測装置、３ 測定補助装置、４ ケーブル、４ａ ケーブル導体、４ｂ ケーブル被膜、５ 交流電源、２１，３１ プローブ電極、２２，３２ プローブケーブル、２３ センサ回路、３３ 測定補助回路、２３１ 分圧用キャパシタ素子、２３２ オペアンプ、２３３ ＡＤ変換器、２３４ 演算部、３３１ バッファ回路、３３２ 高周波発振器。

Claims (5)

1. 電線の芯線に印加された交流電圧を、前記芯線を被覆する被膜に配置された第１のプローブ電極と前記芯線との間に生じた第１の結合容量を通じて観測する非接触電圧観測装置による前記第１の結合容量の測定を補助する測定補助装置であって、
   既知の交流電圧波形の試験電圧信号を発振する信号発振部と、
   前記被膜に配置される第２のプローブ電極とを備え、
   前記試験電圧信号は、前記非接触電圧観測装置において、前記第１の結合容量と、分圧用キャパシタ素子が有する既知容量と、前記第２のプローブ電極と前記芯線との間に生じた第２の結合容量とによって分圧され、分圧された電圧に基づいて前記第１の結合容量が算出され、
   前記第２のプローブ電極は、前記第１の結合容量と前記第２の結合容量とが一定の許容誤差内で類似した値となるように前記第１のプローブ電極に合わせた構造およびサイズで構成されていること
   を特徴とする測定補助装置。
2. 前記試験電圧信号の周波数は、前記芯線に印加された交流電圧の周波数の整数倍であること
   を特徴とする請求項１記載の測定補助装置。
3. 電線の芯線を被覆する被膜に配置される第１のプローブ電極と、
   既知容量を有する分圧用キャパシタ素子と、
   既知の交流電圧波形の試験電圧信号が、前記第１のプローブ電極と前記芯線との間に生じた第１の結合容量と、前記既知容量と、測定補助装置が備える第２のプローブ電極と前記芯線との間に生じた第２の結合容量とによって分圧された電圧に基づいて、前記第１の結合容量を算出する演算部とを備え、
   前記第１のプローブ電極は、前記第１の結合容量と前記第２の結合容量とが一定の許容誤差内で類似した値となるように前記第２のプローブ電極に合わせた構造およびサイズで構成されていること
   を特徴とする非接触電圧観測装置。
4. 請求項１または請求項２記載の測定補助装置と、
   請求項３記載の非接触電圧観測装置とを備えたこと
   を特徴とする非接触電圧観測システム。
5. 前記測定補助装置と前記非接触電圧観測装置とは筐体が異なること
   を特徴とする請求項４記載の測定補助システム。

Images